Puente colgante

En un puente colgante, la plataforma de transporte de tráfico está sostenida por una serie de cables que cuelgan de enormes cables colocados entre torres altas. El Puente de Brooklyn en la ciudad de Nueva York y el Puente Golden Gate en San Francisco son dos de los puentes colgantes más famosos. El puente Akashi Kaikyo en Japón, que se completó en 1998, contiene el tramo de suspensión más largo del mundo (distancia entre torres de apoyo):6.529 pies (1.991 m); todo el puente, incluidas las partes entre las torres y las costas, tiene un total de casi 4 km. La construcción del puente Akashi Kaikyo tomó diez años, costó $ 3.6 mil millones e involucró solo seis heridos (sin muertes). Un siglo antes, la construcción del Puente de Brooklyn, con una luz de 490 m (1,600 pies), tomó 14 años y resultó en la pérdida de 27 vidas.

Antecedentes

Los puentes colgantes son uno de los primeros tipos ideados por el hombre. La versión más primitiva es una cuerda de enredadera que une dos lados de un abismo; una persona atraviesa colgándose de la cuerda y tirando de sí misma, mano sobre mano. Estos puentes primitivos, algunos de hasta 660 pies (200 m), todavía se utilizan en áreas como la India rural. Los diseños algo más sofisticados incorporan una superficie plana sobre la que una persona puede caminar, a veces con la ayuda de pasamanos de enredadera.

En el siglo VIII, los constructores de puentes chinos estaban construyendo puentes colgantes colocando tablas entre pares de cadenas de hierro, lo que esencialmente proporcionaba una plataforma flexible que descansaba sobre cables. Se construyeron puentes similares en varias partes del mundo durante los siglos posteriores. Pero la era moderna de los puentes colgantes no comenzó hasta 1808 cuando un estadounidense llamado James Finley patentó un sistema para suspender una plataforma rígida de los cables de un puente.

Aunque Finley construyó más de una docena de puentes pequeños, el primer puente importante que incorporó su técnica fue construido por Thomas Telford sobre el estrecho de Menai en Inglaterra. Terminado en 1825, tenía torres de piedra de 47 m (153 pies) de altura, 521 m (1,710 pies) de largo y tenía una envergadura de 177 m (580 pies). La calzada, que tenía 9 m (30 pies) de ancho, se construyó sobre una plataforma rígida suspendida de cables de cadena de hierro. El puente todavía está en uso, aunque las cadenas de hierro fueron reemplazadas por eslabones de barras de acero en 1939.

Otro estadounidense, John Roebling, desarrolló dos mejoras importantes en el diseño de puentes colgantes a mediados del siglo XIX. Uno era endurecer la plataforma de la plataforma rígida con armaduras (conjuntos de vigas horizontales y verticales que se cruzan con vigas diagonales). La experiencia había demostrado que el viento o las cargas rítmicas del tráfico podían hacer que las cubiertas insuficientemente rígidas experimentaran vibraciones que pudieran crecer fuera de control y, literalmente, destrozar un puente.

La otra innovación importante de Roebling involucró la construcción de los cables de soporte del puente. Alrededor de 1830, los ingenieros franceses habían demostrado que los cables que constaban de muchos hilos de alambre funcionaban mejor que las cadenas para suspender puentes. Roebling desarrolló un método para "girar", o construir, los cables en su lugar en el puente en lugar de transportar cables prefabricados desgarbados y ponerlos en posición. Su método todavía se usa comúnmente (aunque no exclusivamente) en puentes nuevos.

La historia de los puentes colgantes está generosamente salpicada de ejemplos de puentes exitosos que se creía que eran imposibles cuando los propuso un ingeniero visionario. Un ejemplo fue un puente ferroviario que Roebling construyó entre 1851-1855 a través del desfiladero del río Niagra. El primer puente colgante reforzado con armadura, estaba sostenido por cuatro cables de 250 cm (10 pulgadas) de diámetro tendidos entre torres de piedra. Cuarenta años después de su finalización, el puente transportaba con éxito el tráfico 2,5 veces más pesado de lo que fue diseñado; en ese momento fue retirado y desmantelado.

Un cable tendido de un trabajador del acero representa el cable de suspensión del nuevo puente Narrows de Tacoma, Washington, en 21 de octubre de 1949.

El puente Tacoma Narrows fue el tercer puente colgante más grande del mundo y sólo tenía cinco meses cuando se derrumbó el sábado 7 de noviembre de 1940. El tramo central, que medía 853,4 m (2,800 pies), se extendía entre 129,5 m (425 pies). ) torres altas, mientras que los vanos laterales tenían una longitud de 304,8 m (1,100 pies) cada uno. Los cables de suspensión colgaban de las torres y estaban anclados a 304,8 m (1.000 pies) hacia las orillas del río. El diseñador, Leon Moisseiff, fue uno de los ingenieros de puentes más importantes del mundo.

La intención de Moisseiff era producir un tramo de cubierta muy delgado que se arqueara suavemente entre las altas torres. Su diseño combinó los principios de la suspensión por cable con un diseño de vigas de refuerzos de placas de acero, que se extendían a lo largo del costado de la calzada, que se había simplificado a solo 2,4 m (8 pies) de profundidad.

El puente de $ 6,4 millones fue apodado "Galloping Gertie" por personas que experimentaron su extraño comportamiento. Obligados a soportar ondulaciones que inclinaban y rodaban la cubierta, los trabajadores se quejaban de mareos. Después de la inauguración, se convirtió en un evento deportivo desafiante para que los automovilistas lo cruzaran incluso con vientos suaves, y las quejas sobre el mareo se hicieron comunes.

Los ingenieros de la Autoridad Estatal y de Puentes de Peaje estaban más que un poco nerviosos por el comportamiento del delgado tramo de dos carriles, que tenía solo 39 pies (1 1,9 m) de ancho. Su poca profundidad en relación con la longitud del tramo (8-2,800 pies [2,4-853,4 m]) resultó en una proporción de 1:350, casi tres veces más flexible que los puentes Golden Gate o George Washington. Los ingenieros probaron varios métodos para estabilizar las oscilaciones, pero ninguno funcionó.

Los testigos incluyeron a Kenneth Arkin, presidente de la Autoridad de puentes de peaje, y al profesor Farquharson. A las 10:00, Arkin vio que la velocidad del viento había aumentado de 38 a 42 millas (61,1 a 67,6 km) por hora, mientras que la plataforma subía y bajaba 3 pies (0,9 m) 38 veces en un minuto. Farquharson y él detuvieron el tráfico.

Leonard Coatsworth, un periodista, había abandonado su automóvil en medio del puente cuando no pudo conducir más debido a las ondulaciones. Se volvió brevemente, recordando que el perro mascota de su hija estaba en el auto, pero fue arrojado sobre sus manos y rodillas. A las 10:30, los tirantes comenzaron a romperse, rompiendo la cubierta y arrojando el auto de Coatsworth al agua. En media hora, el resto de la plataforma cayó sección por sección.

Los ingenieros que investigaron el problema de los puentes torcidos pudieron explicar que los vientos no golpean el puente en el mismo ángulo, con la misma intensidad, todo el tiempo. Por ejemplo, el viento que viene de abajo levanta un borde y empuja hacia abajo el opuesto. La cubierta, tratando de enderezarse, se retuerce. Los giros repetidos aumentan en amplitud, lo que hace que el puente oscile en diferentes direcciones. El estudio del comportamiento del viento se convirtió en toda una disciplina de ingeniería llamada aerodinámica. Finalmente, no se diseñó ningún puente, edificio u otra estructura expuesta sin probar un modelo en un túnel de viento. Con el desarrollo de las capacidades gráficas, algunas de estas pruebas ahora se realizan en computadoras.

En 1869, Roebling murió en un accidente mientras inspeccionaba el sitio del Puente de Brooklyn, que había diseñado. Su hijo, Washington Roebling, pasó los siguientes 14 años construyendo la famosa estructura. Este fue el primer puente colgante en utilizar cables hechos de acero en lugar de hierro forjado (un tipo de hierro relativamente blando que, mientras está caliente, puede ser moldeado por máquinas o martillado). Cada uno de los cuatro cables de 40 cm (16 pulgadas) de diámetro consta de más de 5000 hebras paralelas de alambre de acero. Más de un siglo después de su finalización, el Puente de Brooklyn transporta una gran cantidad de tráfico moderno.

Otro puente colgante emblemático fue construido sobre el Golden Gate, la desembocadura de la bahía de San Francisco, entre 1933 y 1937 por Joseph Strauss. El puente Golden Gate tiene 6.450 pies (1.966 m) de largo, con un tramo principal de 4.200 pies (1.280 m). Sus dos torres tienen 746 pies (227 m) de altura; soportan dos cables de 7,125 toneladas (6,5 millones de kg) que contienen un total de 80 000 millas (129 000 km) de alambre de acero. A pesar de las rigurosas precauciones de seguridad, 11 trabajadores murieron; 19 se salvaron gracias a una red de seguridad que colgaba debajo de la plataforma durante la construcción, una innovación que se convirtió en estándar en proyectos posteriores de puentes.

Una de las fallas de puentes más famosas en Estados Unidos fue el colapso en 1940 del puente Tacoma Narrows en Puget Sound en el estado de Washington. Luego, el tercer puente colgante más largo del mundo, había sido diseñado para ser excepcionalmente elegante. Solo lo suficientemente ancho para dos carriles de tráfico y aceras, el tramo era de 2.800 pies (853 m) de largo. En lugar de estar reforzada con armaduras, la plataforma se reforzó con dos vigas de acero que tenían solo 8 pies (2,4 m) de altura, con algunos refuerzos transversales que las conectaban. Este diseño no solo proporcionó menos rigidez que las cerchas, sino que también permitió que el viento ejerciera fuertes fuerzas sobre la estructura en lugar de pasar inofensivamente a través de una disposición de cercha abierta. Cuatro meses después de su finalización, el puente se puso en un patrón de oscilaciones crecientes por vientos de 42 mph (68 km / h) y se rompió. El puente de reemplazo, construido una década después, fue diseñado con una plataforma reforzada con una armadura de acero de 33 pies (10 m) de espesor.

Materias primas

Muchos de los componentes de un puente colgante están hechos de acero. Las vigas utilizadas para hacer rígida la plataforma son un ejemplo. El acero también se usa para las sillas de montar, o canales abiertos, en los que los cables descansan sobre las torres de un puente colgante.

Cuando el acero se estira (estira) en alambres, su resistencia aumenta; en consecuencia, un haz relativamente flexible de alambres de acero es más fuerte que una barra de acero sólida del mismo diámetro. Esta es la razón por la que se utiliza cable de acero para soportar puentes colgantes. Para el puente Akashi Kaikyo, se desarrolló un nuevo acero de baja aleación reforzado con silicio; su resistencia a la tracción (resistencia contra las fuerzas de tracción) es un 12% mayor que cualquier formulación anterior de alambre de acero. En algunos puentes colgantes, los alambres de acero que forman los cables se han galvanizado (recubiertos con zinc).

Las torres de la mayoría de los puentes colgantes están hechas de acero, aunque algunas se han construido con hormigón armado.

Diseño

Cada puente colgante debe diseñarse individualmente para tener en cuenta muchos factores. Por ejemplo, la geología del sitio proporciona una base para las torres y los anclajes de cables, y puede ser susceptible a terremotos. La profundidad y la naturaleza del agua que se puentea (por ejemplo, agua dulce o salada, y la fuerza de las corrientes) pueden afectar tanto el diseño físico como la elección de materiales como revestimientos protectores para el acero. En aguas navegables, puede ser necesario proteger una torre de posibles colisiones de barcos construyendo una isla artificial en su base.

Desde el desastre del puente Tacoma Narrows, todos los nuevos diseños de puentes han sido probados colocando modelos a escala en túneles de viento, como había sido el diseño del puente Golden Gate. Para el puente Akashi Kaikyo, por ejemplo, se construyó el túnel de viento más grande del mundo para probar modelos de secciones de puentes a escala 1/100.

En puentes muy largos, puede ser necesario tener en cuenta la curvatura de la tierra al diseñar las torres. Por ejemplo, en el puente Verrazano Narrows de Nueva York, las torres, que miden 215 m (700 pies) de altura y están separadas por 298 m (4260 pies), están aproximadamente a 4,5 cm (1,75 pulgadas) más separadas en la parte superior de lo que están en la parte superior. El fondo.

El
proceso de fabricación

La construcción de un puente colgante implica la construcción secuencial de los tres Las construcciones de torres que se mantendrán en el agua comienzan con cajones (un cilindro de acero y concreto que actúa como una presa circular) que se bajan al suelo debajo del agua, se vacían de agua y se rellenan con hormigón en preparación para las torres reales. Componentes principales:las torres y anclajes de cables, el propio cable de soporte y la estructura de la cubierta.

Construcción de torres

• 1 Los cimientos de la torre se preparan excavando hasta una formación rocosa suficientemente firme. Algunos puentes están diseñados para que sus torres se construyan en tierra firme, lo que facilita la construcción. Si una torre permanece en el agua, su construcción comienza bajando un cajón (un cilindro de acero y concreto que actúa como una presa circular) al suelo debajo del agua; Quitar el agua del interior del caisson permite a los trabajadores excavar los cimientos sin tener que trabajar en el agua. Cuando se completa la excavación, se forma y se vierte una base de torre de hormigón.
• 2 Los detalles de la construcción varían con cada puente único. Como ejemplo, considere el puente Akashi Kaikyo. Cada una de sus dos torres de acero consta de dos columnas. Cada columna está compuesta por 30 bloques verticales (o capas), cada uno de los cuales mide 33 pies (10 m) Los anclajes, estructuras que sostienen los cables del puente, son bloques de hormigón macizos sujetos de forma segura a formaciones rocosas fuertes. Cuando se hayan completado las torres y los anclajes, se debe tender una línea piloto a lo largo del camino eventual del cable, desde un anclaje a través de las torres hasta el otro anclaje. alto; cada uno de estos bloques, a su vez, consta de tres secciones horizontales. Una grúa colocada entre las columnas levantó tres secciones en su lugar en cada columna, completando una capa. Después de completar un bloque en cada columna, la grúa de "arranque" se elevó al siguiente nivel, donde colocó las secciones de la siguiente capa en su lugar. A intervalos apropiados, se agregaron refuerzos diagonales entre las columnas.

Construcción de anclajes

• 3 Los anclajes son las estructuras a las que se fijan los extremos de los cables del puente. Son enormes bloques de hormigón adheridos de forma segura a fuertes formaciones rocosas. Durante la construcción de los anclajes, se incrustan en el hormigón fuertes ojales (barras de acero con un orificio circular en un extremo). Montado en frente del anclaje hay un soporte de rociado, que sostendrá el cable en el punto donde sus haces de cables individuales (ver Paso 5) se abren en abanico; cada haz de cables se asegurará a una de las barras de ojo del anclaje.

Construcción de cables

• 4 Cuando se hayan completado las torres y los anclajes, se debe tender una línea piloto a lo largo de la ruta final del cable, desde un anclaje a través de las torres hasta el otro anclaje. Se pueden utilizar varios métodos para posicionar la línea piloto. Para el puente del río Niagra, por ejemplo, Roebling ofreció una recompensa de $ 10 al primer joven que pudiera volar una cometa con una línea piloto unida a través del desfiladero para hacer la conexión. Hoy en día, se podría utilizar un helicóptero. O se puede llevar la línea a través de la extensión en bote y luego levantarla hasta su posición. Cuando la línea piloto está en su lugar, se construye una pasarela para toda la longitud del puente, aproximadamente 3 pies (1 m) por debajo de la línea piloto, para que los trabajadores puedan ocuparse de la formación del cable.
• 5 Para comenzar a hacer girar el cable, se coloca un carrete grande de alambre en el anclaje. El extremo libre del cable se enrolla alrededor de una zapata de hilo (un canal de acero anclado a una barra ocular). Entre el carrete y la zapata del hilo, el cable se enrolla alrededor de una rueda giratoria que está montada en la línea piloto. Esta rueda lleva el cable a través del camino del puente, y el cable se enrolla alrededor de una zapata de hilo en el otro anclaje; la rueda luego vuelve al primer anclaje, colocando otro hilo en su lugar. El proceso se repite hasta que se forma un manojo del número deseado de hilos de alambre (esto varía de aproximadamente 125 hilos a más de 400). Durante el hilado, los trabajadores parados en la pasarela se aseguran de que el cable se desenrolle suavemente, liberando cualquier torcedura. A medida que se agotan los carretes, el extremo del cable se empalma con el cable de un carrete nuevo, formando una hebra continua. Cuando el paquete es lo suficientemente grueso, se aplican cintas o correas de alambre a intervalos Una vez que los cables verticales están conectados al cable de soporte principal, la estructura de la plataforma debe construirse en ambas direcciones desde el Apoye las torres al ritmo correcto para mantener equilibradas las fuerzas sobre las torres en todo momento. Una grúa en movimiento levanta las secciones de la plataforma en su lugar, donde los trabajadores las sujetan a las secciones colocadas previamente y a los cables verticales que cuelgan de los cables de suspensión principales. para mantener los cables juntos. El cable que sale del carrete se corta y se fija al anclaje. Luego, el proceso comienza de nuevo para el siguiente paquete.

  La cantidad de paquetes necesarios para un cable completo varía; en el puente Golden Gate es 61, y en el puente Akashi Kaikyo es 290. Cuando se ha girado el número correcto, se utiliza una disposición especial de gatos colocados radialmente para comprimir los haces en un cable compacto, y se envuelve el alambre de acero alrededor. Las abrazaderas de acero se montan alrededor del cable a intervalos predeterminados para servir como puntos de anclaje para los cables verticales que conectarán la plataforma al cable de soporte.

Construcción de la plataforma

• 6 Una vez conectados los cables verticales al cable de soporte principal, se puede iniciar la estructura de la plataforma. La estructura debe construirse en ambas direcciones desde las torres de apoyo al ritmo correcto para mantener equilibradas las fuerzas sobre las torres en todo momento. En una técnica, una grúa móvil que rueda sobre el cable de suspensión principal levanta las secciones de la plataforma en su lugar, donde los trabajadores las sujetan a las secciones colocadas previamente y a los cables verticales que cuelgan de los cables de suspensión principales, extendiendo la longitud completa. Alternativamente, la grúa puede descansar directamente sobre la plataforma y avanzar a medida que se coloca cada sección.

Finalizando

• 7 Cuando la estructura de la plataforma está completa, se cubre con una capa de base (por ejemplo, placas de acero) y se pavimenta. Pintar las superficies de acero e instalar líneas eléctricas para iluminación son ejemplos de otros pasos de acabado. Además, comienzan los procedimientos de mantenimiento continuo. Por ejemplo, un equipo permanente de 17 herreros y 38 pintores continúan trabajando diariamente en el puente Golden Gate, reemplazando remaches oxidados y otros componentes de acero y retocando la pintura que protege el puente.

El futuro

Cada puente colgante está diseñado de manera única, prestando atención tanto a la función como a la estética. Se pueden usar, o incluso desarrollar, nuevos materiales para hacer que el puente sea menos voluminoso y más eficiente. Y los diseñadores innovadores a veces crean soluciones inusuales a sus desafíos. Por ejemplo, el diseño aprobado en 1998 para reemplazar el tramo este del puente San Francisco-Oakland Bay que fue severamente dañado por un terremoto de 1989 es un puente colgante sostenido por una sola torre. Sus cables principales están anclados, no en los anclajes macizos descritos anteriormente, sino en la estructura de soporte del tablero del puente mismo.

Quizás los planes más ambiciosos que se están desarrollando actualmente para un nuevo puente colgante son los de conectar Sicilia con el continente italiano. Debido a que las torres de apoyo tendrán que construirse en costas opuestas del Estrecho de Messina, el tramo principal tendrá una longitud de 9.500-10.800 pies (2.900-3.300 m). Un diseño propuesto utiliza torres de 400 m (1.312 pies) de altura. Los desarrolladores esperan construir el puente para 2006.